JP6591673B2

JP6591673B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6591673B2
Application number: JP2018526000A
Authority: JP
Inventors: 正志小菅; 健田尻; 秀彦高原
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2019-10-16
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Description

本発明は、電力変換装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両駆動用の電力変換装置は、インバータ回路の上・下アーム直列回路を内蔵する、例えば、３相分のパワー半導体モジュールを有する。パワー半導体モジュールの入出力端子は、例えば、バスバーが樹脂部に一体化されたモールドバスバーのバスバーに接続され、信号端子は制御回路基板に接続される。
近年、電力変換装置の一層の小型化を図り、パワー半導体モジュールを、放熱性を有する金属製部材により保持する構造が検討されている。このような構造では、パワー半導体モジュールの入出力端子は、金属製部材に設けた開口を挿通されて、外部に突出される。

パワー半導体モジュールの信号端子を制御回路基板に接続する構造として、次の構造が知られている。複数の信号中継端子がインサートされたモジュール押え部材とヒートシンクとによりパワー半導体モジュールを挟圧する。モジュール押え部材の上方には制御回路基板が配置されている。パワー半導体モジュールの信号端子にモジュール押え部材の信号中継端子の一端を接続し、信号中継端子の他端を制御回路基板に接続する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３２０３９２号公報

上記特許文献１に記載された構造では、モジュール押え部材とヒートシンクとの間にパワー半導体モジュールを挟圧する構造であるため、モジュール押え部材とヒートシンクとは大きい剛性が必要とされる。このため、小型化を図ることが困難である。引用文献１において、パワー半導体モジュールを金属製部材により支持する構造とすることも考えられる。しかし、パワー半導体モジュールの信号端子間には低電圧が印加されるが、電源用の入出力端子には強電圧が印加される。電力変換装置の小型化を図り、金属製部材の開口の縁と入出力端子との間との空間が小さくなると、絶縁性を確保することができず、短絡する可能性がある。

本発明の一態様によると、電力変換装置は入力用または出力用の端子を有する半導体モジュールと、樹脂部と、前記端子に接続される接続導体が一体的に設けられた接続用部材と、前記端子が突出される開口を備え、前記半導体モジュールを支持する金属製部材とを備え、前記接続用部材は、前記端子と、前記金属製部材の前記開口との間の空間に延在される絶縁性の延材部を有する。

本発明によれば、半導体モジュールの端子と金属製部材との絶縁性を確保することができる。

本発明の電力変換装置の一実施の形態を示す分解斜視図。図１に図示された電力変換装置の中間組立体の分解斜視図。（Ａ）は、図１に図示されたパワー半導体モジュールの端子部周辺の拡大図、（Ｂ）は、パワー半導体モジュールに内蔵された回路の一例を示す回路図。図１の領域ＩＶの拡大図。図４のＶ−Ｖ線断面図。図５に図示された状態にモールドバスバーを組付けた状態の断面図。図２に図示されたモールドバスバーを裏面側から観た斜視図。図７の領域ＶＩＩＩの拡大図。図２に図示された絶縁部材の拡大図。図１のＸ―Ｘ線で切断した斜視図。図１０に図示された状態に制御回路基板を組付けた状態の断面図。

以下、図面を参照して、本発明の電力変換装置の一実施の形態を説明する。
図１は、本発明の電力変換装置の一実施の形態を示す分解斜視図であり、図２は、図１に図示された電力変換装置の中間組立体の分解斜視図である。
電力変換装置１０は、筐体本体１１と上部カバー１５とにより構成される筐体を備えている。筐体本体１１は、例えば、アルミニウム合金等の金属の鋳造により形成され、上部に開口部１１ａが形成されたボックス状の部材である。上部カバー１５は、筐体本体１１の開口部１１ａを封口する。筐体本体１１の側部には、側部カバー１６が取付けられる。
筐体本体１１は、冷却流路形成体であり、底部には、冷却水などの冷媒を導入する冷媒導入口１２および冷媒導出口１３が形成されている。冷媒導入口１２および冷媒導出口１３は、底部の下面に開口部を有している。

筐体本体１１と上部カバー１５内には、６つのパワー半導体モジュール（以下、単に、「半導体モジュール」ともいう）３０、金属製部材４０、モールドバスバー５０、絶縁部材６０、制御回路基板７０および保持部材８０が収容されている。なお、図１に図示された中間組立体２０は、図２に図示されように、筐体本体１１内に、６つのパワー半導体モジュール３０、金属製部材４０、モールドバスバー５０および絶縁部材６０が収容されて構成されている。

冷却流路形成体である筐体本体１１は、各パワー半導体モジュール３０を収容する収容部１７を有する。図示はしないが、筐体本体１１の内部には、各パワー半導体モジュール３０が収容される収容部１７をジグザグ状に連通する冷却流路が形成されている。冷却水などの冷媒は、冷媒導入口１２から筐体本体１１の内部に導入され、各パワー半導体モジュール３０を冷却し、冷媒導出口１３から導出される。

金属製部材４０は、鉄、ＳＵＳ等のばね性を有する金属により形成されている。金属製部材４０は、パワー半導体モジュール３０の上方に配置され、ねじ等の締結部材９１により筐体本体１１に固定される。金属製部材４０の周縁部と筐体本体１１の周縁部とはシール部材を用いた水密構造とされている。金属製部材４０には、筐体本体１１の各収容部１７に対応して開口４１が形成されている。各パワー半導体モジュール３０の端子部３３は、金属製部材４０の開口４１から外部に突出している（図１０、図１１も参照）。

モールドバスバー５０は、接続導体であるバスバー５１が絶縁性の樹脂部５２にインサート成形により一体に形成された部材である。バスバー５１は、各半導体モジュール３０の端子部３３の一部に接続される接続端子５１ａを有する。モールドバスバー５０は、ねじ等の締結部材（図示せず）により、筐体本体１１に固定される。

絶縁部材６０は、各半導体モジュール３０の端子部３３と、金属製部材４０とを絶縁する。絶縁部材６０は、金属製部材４０の各開口４１内に挿入された状態でモールドバスバー５０に固定される。絶縁部材６０の構造および絶縁作用については、後述する。

制御回路基板７０は、モールドバスバー５０および絶縁部材６０の上方に配置される。制御回路基板７０は、各半導体モジュール３０の端子部３３の他の一部に接続されるコネクタ７１を有している。制御回路基板７０は、各半導体モジュール３０に内蔵されたスイッチング回路部を制御する制御回路部を有している。

図３（Ａ）は、図１に図示されたパワー半導体モジュール３０の端子部３３周辺の拡大図であり、図３（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３０に内蔵された回路の一例を示す回路図である。
半導体モジュール３０は、多数の放熱フィン３１ａ（図５等参照）が形成された本体部３１（図５等参照）、フランジ部３２および端子部３３を有する。６つのパワー半導体モジュール３０は、例えば、モータやモータ／ジェネレータを駆動するためのＵ相、Ｖ相、Ｗ相用の上下アーム回路を内蔵し、三相の交流電力を出力する。

図３（Ｂ）に図示されるように、半導体モジュール３０には、２つのＩＧＢＴ１１０、１２０と２つのダイオード１３０、１４０とが内蔵されている。ＩＧＢＴ１１０とダイオード１３０とは上アーム回路を構成する。ＩＧＢＴ１２０とダイオード１４０とは、下アーム回路を構成する。
ＩＧＢＴ１１０のエミッタとＩＧＢＴ１２０のコレクタとが接続される。この接続点にはダイオード１３０のアノードとダイオード１４０のカソードの接続点とが接続され、また、交流出力端子１０２が接続される。ＩＧＢＴ１１０のコレクタおよびダイオード１３０のカソードは直流正極性の入力端子１０１に接続される。ＩＧＢＴ１２０のエミッタおよびダイオード１４０のアノードは直流負極性の入力端子１０３に接続される。また、ＩＧＢＴ１１０、１２０のゲートは、それぞれ、信号端子であるゲート端子１１１、１２１に接続され、ＩＧＢＴ１１０、１２０のエミッタは、それぞれ、信号端子であるエミッタ端子１１２、１２２に接続される。
なお、図３（Ｂ）におけるＴは、ＩＧＢＴを示し、Ｄはダイオードを示す。

図３（Ｂ）に図示された入出力端子１０１〜１０３、および信号端子１１１、１１２、１２１、１２２は、図３（Ａ）に図示されるように半導体モジュール３０のフランジ部３２の開口から外部に導出される。但し、図３（Ａ）に図示されるように、直流負極性の入力端子１０３は、１０３ａ、１０３ｂとして２つに分岐して形成され、半導体モジュール３０の内部で電気的に接続される。また、直流正極性の入力端子１０１は、１０１ａ、１０１ｂとして２つに分岐して形成され、半導体モジュール３０の内部で電気的に接続される。フランジ部３２は、樹脂等の絶縁性部材により形成されており、内部に封止樹脂３２ａが充填されている。なお、図３（Ａ）において、図３（Ｂ）には図示されていない４つの信号端子１１３、１２３〜１２５は、ＩＧＢＴ１１０、１２０の過電流や過温度を検出するためのセンサ信号用の端子である。

図４は、図１の領域ＩＶの拡大図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図であり、図６は、図５に図示された状態にモールドバスバーを組付けた状態の断面図である。
半導体モジュール３０における多数の放熱フィン３１ａが形成された本体部３１およびフランジ部３２は、筐体本体１１の収容部１７内に収容される。フランジ部３２の上方に金属製部材４０が配置され、金属製部材４０は、ねじ等の締結部材９１により筐体本体１１の上面に密着して固定される（図１１も参照）。従って、フランジ部３２と金属製部材４０とは、熱結合されており、半導体モジュール３０から発生される熱が金属製部材４０に熱伝導されて、放熱される。

半導体モジュール３０のフランジ部３２と筐体本体１１とは、Ｏリング等のシール部材３４（図５等参照）により水密構造とされている。
なお、図５、６においては、半導体モジュール３０の放熱フィン３１ａは、表面および裏面において、異なる形状およびサイズに形成された構造として例示されている。
各半導体モジュール３０の直流正・負極性の入力端子１０１、１０３、交流出力端子１０２、信号端子１１１〜１１３、１２１〜１２５は、金属製部材４０の開口４１を挿通されて外部に突出されている。
なお、以下の説明では、直流正・負極性の入力端子１０１、１０３、交流出力端子１０２を代表して入出力端子１０１等、信号端子１１１〜１１３、１２１〜１２５を代表して信号端子１１１等ということがある。

図５、図６に図示されるように、半導体モジュール３０は、ＩＧＢＴ１１０、１２０およびダイオード１３０、１４０等のパワー半導体素子１５１と、リードフレーム１５２と、リードフレーム１５２に接続された入出力端子１０１等および信号端子１１１等を有する。
図６に図示されるように、モールドバスバー５０のバスバー５１の接続端子５１ａは、上方に向けて、すなわち、半導体モジュール３０側とは反対側に向けて屈曲されている。モールドバスバー５０には、半導体モジュール３０の入出力端子１０１等および信号端子１１１等を挿通する開口部５３が設けられている。モールドバスバー５０のバスバー５１の接続端子５１ａは、金属製部材４０の開口４１およびモールドバスバー５０の開口部５３を挿通された半導体モジュール３０の入出力端子１０１等に密着され、該入出力端子１０１等に溶接等により接合される。なお、バスバー５１は、直流正極性の入力端子１０１に接続される正極用バスバーと、直流負極性の入力端子１０３に接続される負極用バスバーと、交流出力端子１０２に接続される交流バスバーとを含む。

モールドバスバー５０には、開口部５３に面する両側面に、半導体モジュール３０側に延在する第１の延材部５５および第２の延材部５６が形成されている。

図７は、図２に図示されたモールドバスバーを裏面側から観た斜視図であり、図８は、図７の領域ＶＩＩＩの拡大図である。
第１の延材部５５は、断面矩形形状を有し、金属製部材４０の開口４１の幅方向の一方の縁４１ａ（図５、図６参照）と、接続端子５１ａが接続された入出力端子１０１等の一面との間の空間に延在されている。第２の延材部５６は、先細りの先端を有する断面三角形状を有し、金属製部材４０の開口４１の幅方向の他方の縁４１ｂ（図５、図６参照）と、入出力端子１０１等の他面、すなわち、接続端子５１ａが接続された一面と反対側の面との間の空間に延在されている。第１、第２の延材部５５、５６は、入出力端子１０１等の配列方向に沿って、該入出力端子１０１等の全長に亘る長さに形成されている。

すなわち、第１の延材部５５は、直流正・負極性の入力端子１０１、１０３および交流出力端子１０２のすべての一面と、金属製部材４０の開口４１の一方の縁４１ａとの間の空間に配置されている。また、第２の延材部５６は、直流正・負極性の入力端子１０１、１０３および交流出力端子１０２のすべての他面と、金属製部材４０の開口４１の他方の縁４１ｂとの間の空間に配置されている。
また、第１、第２の延材部５５、５６は、上下方向において、金属部材４０の開口部４１を厚さ方向に貫通する長さとされている。
従って、金属製部材４０の開口４１の一方の縁４１ａと接続端子５１ａが接続された入出力端子１０１等の一面との間の空間距離および沿面距離は、第１、第２の延材部５５、５６により大きくされている。このため、金属製部材４０と半導体モジュール３０の入出力端子１０１等との絶縁性を確保することができる。

図９は、図２に図示された絶縁部材の拡大図である。図１０は、図１のＸ―Ｘ線で切断した斜視図であり、図１１は、図１０に図示された状態に制御回路基板を組付けた状態の断面図である。
絶縁部材６０は、３つの端子挿入部６１と、３つの固定用弾性部６２と、２つの突起部６３とを有する樹脂モールド部材である。端子挿入部６１間に形成された複数の凹部６５は、モールド成形の際の引け防止用である。
各端子挿入部６１内には、複数の仕切り片６４が配列されている。
絶縁部材６０は、半導体モジュール３０の入出力端子１０１等にモールドバスバー５０の接続端子５１ａが接合された後、モールドバスバー５０に取付けられる。絶縁部材６０は、各固定用弾性部６２を、モールドバスバー５０の固定用開口５４に係合することによりモールドバスバー５０に取付けられる。固定用弾性部６２は、波型に延在された変形部６２ａと係止部６２ｂを有している。係止部６２ｂの下面は、先端側に向けて上昇する傾斜面とされている。絶縁部材６０の各係止部６２ｂを、モールドバスバー５０の固定用開口５４に位置合わせして、モールドバスバー５０側に押し下げると、係止部６２ｂの下面が固定用開口５４の縁に押圧され、変形部６２ａが圧縮される。この状態で、絶縁部材６０の各係止部６２ｂが固定用開口５４を貫通すると、変形部６２ａは、その復元力によりモールドバスバー５０の下方で拡張する。これにより、絶縁部材６０の各係止部６２ｂは、モールドバスバー５０の固定用開口５４の周縁部に係合する。このように、絶縁部材６０をモールドバスバー５０側に押し付けるだけの簡単な作業で絶縁部材６０をモールドバスバー５０に固定することができ、作業の能率がよい。

図１０、図１１に図示されるように、この状態で、端子挿入部６１内に設けられた各仕切り片６４は、半導体モジュール３０の入出力端子１０１等の間に配置されるように設定されている。各仕切り片６４は、モールドバスバー５０の開口部５３を貫通し、半導体モジュール３０の入出力端子１０１等を支持する支持部材３６の上面３６ａ（図３（Ａ）参照）付近まで延在されている。このため、半導体モジュール３０の入出力端子１０１等の相互間の絶縁性を確保することができる。

図１１に図示されるように、半導体モジュール３０の入出力端子１０１等の両隣に配列された信号端子１１１等は、モールドバスバー５０の開口部５３を貫通して、制御回路基板７０のコネクタ７１に接続されている。制御回路基板７０は、ねじ等の締結部材９２により、保持部材８０に取付けられている。
絶縁部材６０の両端側の端子挿入部６１の上面には、それぞれ、突起部６３が設けられている。突起部６３の上面６３ａと制御回路基板７０の下面７０ａとの隙間ｃは、絶縁部材６０が、半導体モジュール３０の入出力端子１０１等から離脱されるのを規制可能な寸法とされている。

上述したように、絶縁部材６０は、係止部６２ｂがモールドバスバー５０の固定用開口５４の周縁部に係合した状態でモールドバスバー５０に固定されている。このため、振動や衝撃により、係止部６２ｂの係合が外れて、絶縁部材６０がモールドバスバー５０から離脱する可能性がある。しかし、絶縁部材６０の係止部６２ｂの係合が外れても、突起部６３が制御回路基板７０の下面に当接することにより、絶縁部材６０の離脱が規制される。

上述した一実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）金属製部材４０の開口４１から突出された半導体モジュール３０の入出力用の端子１０１等にモールドバスバー５０のバスバー５１が接続された電力変換装置１０において、モールドバスバー５０は、バスバー５１と、金属製部材４０の開口４１との間の空間に延在される絶縁性の延材部５５、５６を有している。このため、金属製部材４０と半導体モジュール３０の入出力端子１０１等との絶縁性を確保することができ、入出力端子１０１等に強電圧が印加されても入出力端子１０１等と金属製部材４０との短絡を防止することができる。

（２）延材部５５、５６は、半導体モジュール３０の入出力端子１０１等の一面と金属製部材４０の開口４１の一方の縁４１ａとの間の空間に延在される第１の延材部５５と、入出力端子１０１等の一面に対向する他面と金属製部材４０の開口４１の他方の縁４１ｂとの間の空間に延在される第２の延材部５６とを有する。このため、組付けの際、半導体モジュール３０と金属製部材４０との相対的な位置ずれが生じた場合でも、入出力端子１０１等と金属製部材４０との短絡を確実に防止することができる。

（３）金属製部材４０と半導体モジュール３０とは熱結合されている。このため、半導体モジュール３０から発生される熱を、金属製部材４０を介して放熱することができる。

（４）半導体モジュール３０を冷却する冷却流路を有する冷却流路形成体を備え、金属製部材４０は、冷却流路形成体の一面を形成している。このため、冷却効率を高め、電力変換装置の小型化を図ることができる。

（５）半導体モジュールは、複数の入出力端子１０１等を有し、さらに、入出力端子１０１等の間に配置される仕切り片６４を有し、モールドバスバー５０に固定される絶縁部材６０を備える。このため、半導体モジュール３０の入出力端子１０１等の間の絶縁性を確保することができ、入出力端子１０１等に強電圧が印加されても、入出力端子１０１等間の短絡を防止することができる。

（６）さらに、絶縁部材６０から離間して配置された制御回路基板７０を備え、制御回路基板７０と絶縁部材６０とは、絶縁部材６０の入出力端子１０１等からの離脱が規制される間隔で配置されている。このため、絶縁部材６０とモールドバスバー５０との固定が外れた場合でも、絶縁部材６０が入出力端子１０１等から離脱することはなく、信頼性を向上することができる。

なお、上記一実施の形態では、バスバー５１が樹脂部５２にインサート成形されたモールドバスバー５０として例示した。しかし、バスバー５１は、ねじ、ピン等の締結部材、あるいは樹脂部５２を溶融させることにより固定するかしめ等により樹脂部５２に一体的に固定するようにしてもよい。

上記一実施の形態では、モールドバスバー５０の延材部５５、５６は、半導体モジュール３０の入出力端子１０１〜１０３に対向して形成した構造として例示した。しかし、モールドバスバー５０の延材部５５、５６は、入出力端子１０１〜１０３のうち、金属製部材４０との短絡の可能性がある端子のみに対向して形成すればよい。

上記一実施の形態では、絶縁部材６０の上方に制御回路基板７０を配置し、該制御回路基板７０により絶縁部材６０の半導体モジュール３０の入出力端子１０１等からの離脱を規制する構造として例示した。しかし、制御回路基板７０のレイアウトは任意であり、絶縁部材６０の直上に制御回路基板７０が配置されない構造とし、他の部材や部品により、絶縁部材６０の半導体モジュール３０の入出力端子１０１等からの離脱を規制するようにしてもよい。

上記一実施の形態では、絶縁部材６０に突起部６３を設け、該突起部６３を制御回路基板７０に当接して入出力端子１０１等からの離脱を規制する構造として例示した。しかし、絶縁部材６０の突起部６３を設けず、絶縁部材６０の上面を制御回路基板７０に当接して、該絶縁部材６０の入出力端子１０１等からの離脱を規制するようにしてもよい。あるいは、絶縁部材６０の上方に、制御回路基板７０以外の他の規制部材を配置し、該規制部材により絶縁部材の離脱を規制するようにしてもよい。規制部材を設ける構造とする場合には、該規制部材に突起部を設けるようにすることもできる。

上記一実施の形態では、半導体モジュール３０の信号端子１１１等を、制御回路基板７０に設けたコネクタ７１に接続する構造として例示した。しかし、信号端子１１１等を制御回路基板７０に設けたスルーホールに挿通し、はんだ付け等により接続するようにしてもよい。

上記一実施の形態では、絶縁部材６０の延材部５５、５６は、半導体モジュール３０の入出力端子１１１等に対向して形成され、信号端子１１１等に対向して形成されていない構造として例示した。しかし、絶縁部材６０の延材部５５、５６は、入出力端子１１１等と共に信号端子１１１等に対向するように形成してもよい。

上記一実施の形態では、三相のアーム回路としての機能を備える６つのパワー半導体モジュール３０を備える電力変換回路として例示した。しかし、本発明は、１つのパワー半導体モジュール３０や３つのパワー半導体モジュール３０を備える電力変換装置１０に適用することができる。

上記一実施の形態では、電力変換装置１０として、ＩＧＢＴ１１０、１２０を用いたインバータ装置として例示した。しかし、ＩＧＢＴ１１０、１２０に代えて、サイリスタや、ＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）等を用いたインバータ回路にも適用することができる。

また、本発明は、直流−交流変換を行うインバータ装置に限らず、交流−交流変換を行うマトリックスコンバータ等、他の電力変換装置にも適用することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１０電力変換装置
１１筐体本体（冷却流路形成体）
２０中間組立体
３０パワー半導体モジュール
４０金属製部材
４１開口
４１ａ一方の縁
４１ｂ他方の縁
５０モールドバスバー（接続用部材）
５１バスバー（接続導体）
５２樹脂部
５５第１の延材部
５６第２の延材部
６０絶縁部材
６４仕切り片（仕切り部）
７０制御回路基板（規制部材、回路基板）
１０１、１０３入力端子
１０２交流出力端子

Claims

入力用または出力用の端子を有する半導体モジュールと、
樹脂部と、前記端子に接続される接続導体が一体的に設けられた接続用部材と、
前記端子が突出される開口を備え、前記半導体モジュールを支持する金属製部材とを備え、
前記接続用部材は、前記端子と、前記金属製部材の前記開口との間の空間に延在される絶縁性の延材部を有する、電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記接続用部材の前記接続導体は、前記端子の一面に接続され、
前記延材部は、前記端子の一面と前記金属製部材の前記開口の一方の縁との間の空間に延在される第１の延材部と、前記端子の前記一面に対向する他面と前記金属製部材の前記開口の他方の縁との間の空間に延在される第２の延材部とを有する、電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記金属製部材と前記半導体モジュールとは熱結合されている、電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記半導体モジュールを冷却する冷却流路を有する冷却流路形成体を備え、
前記金属製部材は、前記冷却流路形成体の一面を形成している、電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記半導体モジュールは、複数の前記端子を有し、
さらに、前記端子の間に配置される仕切り部を有し、前記接続用部材に固定される絶縁部材を備える、電力変換装置。
請求項５に記載の電力変換装置において、
さらに、前記絶縁部材の前記端子からの離脱を規制する規制部材を備える、電力変換装置。
請求項６に記載の電力変換装置において、
前記半導体モジュールは、さらに信号端子を有し、
前記規制部材は、前記信号端子が接続される接続部を有する回路基板である、電力変換装置。